科学家捕捉新生晶体形成和生长的时刻

大多数材料转变为有组织的晶体结构始于成核过程。一个日常的例子是在晶种成核后过冷水的快速结晶。这种现象困扰着科学家和普通百姓。原子聚集并形成最小晶体的成核过程一直是重要的科学现象，自1800年代后期以来已被广泛研究。

经典的成核理论指出，单体组装成晶体结构以单向方式发生。另一方面，有人建议在某些系统中可能发生涉及亚稳态中间晶体结构的非经典结晶过程。但是，由于成核非常迅速地发生，并且核的大小可以少至几个原子，因此通过直接观察来确认这些理论极其困难。

一个由汉阳大学埃里卡分校机械工程学教授李元哲领导的国际合研究小组终于解决了这个具有百年历史的谜团。合研究小组成功地观察了纳米晶成核初始状态的时刻。

科学家成功地拍摄了金原子聚集形成纳米晶体的过程。为了观察成核过程的初始状态，研究小组通过将电子束发射到石墨烯膜顶部的氰化金纳米带上来合成金纳米晶体，该纳米带将纳米带分解为金原子。在劳伦斯伯克利国家实验室用高性能透射电子显微镜(TEM)观察了合成的标本。该过程以原子级的空间分辨率和超高的时间分辨率(以毫秒为单位)记录。

TEM观察表明，在稳定的晶体结构出现之前，晶格结构突然消失和重新出现。通过仔细的分析，该团队排除了可能导致此类观察的一些因素，例如纳米晶体的取向，倾斜和快速旋转。因此，观察到的结果似乎表明组成原子核的原子在无序态和结晶态之间随机振荡。这种结构性波动似乎是随机发生的。该团队的发现直接挑战了长期存在的成核理论以及最近二十年来提出的最新成核理论。

此外，研究小组发现，随着纳米晶体尺寸的增加，晶体状态的稳定性也随之提高。例如，具有2.0nm 2面积的纳米晶体花费了大约一半时间以晶体状态存在。当晶体尺寸增加到面积上大于4.0nm 2时，晶体似乎大部分时间以晶体形式存在。

为了描述这种现象，研究小组提出了一种新的晶体成核热力学理论。该研究提出，当团簇尺寸较小时，在成核的最早阶段，晶体到无序转变之间的能垒趋于非常低，并且随着向结构中添加更多原子，它的能垒会增加。这可以解释由几个原子组成的新生晶体中晶体状态和无序状态之间的自发波动。研究小组还指出，纳米晶体相对较小，甚至可以添加额外的原子可以将足够的能量传递到系统中，从而将整个结构转换回无序状态。能量垒随着晶体的生长而增加，这降低了自发回复的可能性并稳定了较大晶体中的晶体结构。

关于这些发现，Park Jungwon Park教授说：“从科学的角度来看，我们发现了晶体成核过程的新原理，并通过实验进行了证明。”

Won Chul Lee教授说：“从工程学的角度来看，通过重现沉积过程的初始状态，可以将其用于实现半导体材料，组件和设备的原始技术。”

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